JPH04324958A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置、特に半導体
装置のパッケージ内に封止された半導体素子の表面に形
成された電極や配線等の導体層（配線層）の保護に関し
、たとえば、半導体素子に機械的，化学的な影響を加え
易いレジンからなるパッケージで封止された半導体装置
に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体装置は、多機能
，小型化の要請から、より一層高集積化，高密度化が図
られている。この結果、半導体素子（チップ）の表面に
おける配線構造も多層配線化，微細化の傾向にある。 多層配線構造においては、Ａｌ等の導体層（配線層）を
有機系絶縁膜や無機系絶縁膜で被う構造が採用されてい
る。たとえば、特開昭６０−１４３６４９号公報には、
有機系絶縁膜，導体および無機系絶縁膜相互の熱膨張係
数差による熱的損傷を防止するため、有機系絶縁膜は、
その熱膨張係数が導体層より小さく、かつ無機系絶縁膜
より大きくなるものを使用する例が開示されている。

【０００３】また、工業調査会発行「電子材料」１９８
８年１２月号、昭和６３年１２月１日発行、Ｐ４６〜Ｐ
５２には、微細多層配線における層間絶縁膜に、シロキ
サン変成ポリイミドを使用した技術が開示されている。 この文献には、多層配線層間絶縁膜として、（１）芳香
族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンを原料と
する全芳香族ポリイミド樹脂、（２）ジアミンの一部に
シロキサン結合をもつポリイミド樹脂が従来使用されて
いる旨記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】多層配線構造を形成す
る場合、導体層によって形成される段差をいかに平均化
するかは、配線の微細化が進むにつれ益々重要になって
いる。有機系絶縁膜は、塗布法によってワニス状態で形
成することができることから、膜厚の平均化が容易に達
成できるが、水分や不純物イオンを容易に通すことから
半導体装置の信頼性を損なう難点がある。この対策とし
て、前記文献で開示された技術のように、有機系絶縁膜
と無機系絶縁膜との組み合わ構造によって水分や不純物
イオンが半導体素子の表面に到達させないようにし、こ
れによって半導体装置の耐湿性を高めている。

【０００５】しかし、前記従来技術は、膜構造の点にお
いて、外部から加わる外力によって膜に機械的損傷が発
生することに対する抑止技術については配慮がなされて
おらず、ワイヤボンディング時やレジンモールド後のレ
ジンストレスによる無機系絶縁膜の損傷の問題があった
。

【０００６】本発明の目的は、有機系絶縁膜と無機系絶
縁膜の両者を多層配線構造体として用いた場合における
無機系絶縁膜の機械的損傷を防止することにより、半導
体装置の信頼性の向上を図ることにある。

【０００７】本発明の前記ならびにそのほかの目的と新
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明の半導体装置にあっては、配
線層を被う有機系絶縁膜の表面および側面を無機系絶縁
膜で完全に被う構造となっている。また、有機系絶縁膜
とこの有機系絶縁膜を無機系絶縁膜で被う配線構造にお
いて、ワイヤボンディングによる機械的衝撃を受ける領
域（ボンディングエリア）内には、無機系絶縁膜を設け
ても有機系絶縁膜を設けない構造となっている。

【０００９】本発明の他の構成としては、多層配線構造
体の場合、最上層の電極配線を２層からなる無機系絶縁
膜で被うとともに、この無機系絶縁膜を有機系絶縁膜で
被う構造となっている。また、層間絶縁膜は、その一部
または全てを有機系絶縁膜で形成し、かつその有機系絶
縁膜で形成された層間絶縁膜の表面および側面を無機系
絶縁膜で完全に被う構造となっている。

【００１０】

【作用】本発明の半導体装置にあっては、配線層を被う
有機系絶縁膜の表面および側面を無機系絶縁膜で完全に
被う構造となっていることから、水分やイオンの侵入が
前記無機系絶縁膜で阻止されるため、水分やイオンに起
因する配線層の腐食や導電領域の導電型の反転化等が防
止できる。

【００１１】本発明の半導体装置にあっては、ボンディ
ング時に機械的衝撃を受ける領域（ボンディングエリア
）内には、無機系絶縁膜が設けられても有機系絶縁膜が
存在しない。したがって、無機系絶縁膜上にワイヤの接
合部分が掛かるようにワイヤボンディングがなされても
、このワイヤボンディングエリア内には有機系絶縁膜が
存在しないことから、有機系絶縁膜のワイヤボンディン
グ時の衝撃による押し潰れに起因する無機系絶縁膜のク
ラック発生等の損傷も発生することはなく、耐湿性の向
上が図れる。

【００１２】本発明の他の構成にあっては、層間絶縁膜
の一部または全てが有機系絶縁膜で形成されるとともに
、この有機系絶縁膜は直接無機系絶縁膜で完全に被われ
ているため、層間絶縁膜には水分やイオンが到達しなく
なり、水分やイオンに起因する配線層の腐食や導電領域
の導電型の反転化等が防止できる。また、最上層をポリ
イミド樹脂からなる有機系絶縁膜で形成していることか
ら、レジンパッケージによるストレスを緩和し、下層の
無機系絶縁膜のクラック発生等の損傷発生を完全に防止
することができる。

【００１３】

【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例につい
て説明する。図１は本発明の一実施例による半導体装置
のレジンパッケージ内に封止された半導体素子の一部を
示す模式的断面図、図２〜図６は同じく本発明の半導体
素子の製造各工程における模式的断面図であって、図２
は酸化膜が選択的に形成された半導体基体の一部の断面
図、図３は第１層配線層が選択的に形成された半導体基
体の一部の断面図、図４は有機系絶縁膜が選択的に形成
された半導体基体の一部の断面図、図５は第２層配線層
が選択的に形成された半導体基体の一部の断面図、図６
は無機系絶縁膜が選択的に形成された半導体基体の一部
の断面図である。

【００１４】本発明による半導体装置１は、図７に示す
ように、エポキシレジン等からなるレジンのパッケージ
２の周囲から複数のリード３を突出させた構造となって
いる。この半導体装置１は表面実装型となり、リード形
態はいわゆるガルウイングと呼称される構造となり、パ
ッケージ２から突出した前記リード３は途中で一段階段
状に折れ曲がっている。前記リード３の内端は前記パッ
ケージ２内に延在し、その先端を支持体５の上に固定さ
れた半導体素子（チップ）６の周囲に臨ませている。ま
た、前記半導体素子６の図示しない電極と、これら電極
に対応するリード３とは、導電性のワイヤ７によって電
気的に接続されている。

【００１５】前記半導体素子６は、たとえばＩＣを構成
し、半導体素子６の表層部に形成される多層配線構造は
、図１に示すような構造となっている。同図はシリコン
からなる半導体基体１０の主面に第１層配線層および第
２層配線層を有するとともに、層間絶縁膜は有機系絶縁
膜で構成し、パッシベーション膜は無機系絶縁膜で構成
した例を示してある。なお、前記半導体基体１０には、
所望の不純物の拡散によってそれぞれ所望導電型の拡散
領域やｐｎ接合が形成されているが、同図および以下の
図では省略する。

【００１６】半導体基体１０の主面には、シリコン酸化
膜（ＳｉＯ２　）１１が選択的に設けられている。また
、前記シリコン酸化膜１１が設けられないコンタクト孔
１２および所定のシリコン酸化膜１１上には、導体層（
配線層）からなる第１層配線層１３が設けられている。 この第１層配線層１３は、たとえば、Ｓｉを１％含むＡ
ｌ膜からなり、その厚さは０．５〜１．０μｍ程度とな
っている。説明の便宜上、前記第１層配線層１３の各部
に呼称を付けると、図１の左側に示す第１層配線層１３
はワイヤボンディング用の台座配線層１４、中央のコン
タクト孔１２に設けられる第１層配線層１３はコンタク
ト用配線層１５、右側のシリコン酸化膜１１上に乗る第
１層配線層１３は単純なる配線１６となる。

【００１７】一方、前記コンタクト用配線層１５から配
線１６に至る領域には、有機系絶縁膜１７が設けられて
いる。前記コンタクト用配線層１５は、その上面および
側面（端面）に掛けて全体が有機系絶縁膜１７によって
被われている。また、前記配線１６はその上面周縁と側
面（端面）が被われ、中央上面は有機系絶縁膜１７から
露出している。この有機系絶縁膜１７は、たとえば、全
芳香族ポリイミド樹脂やシロキサン結合をもつポリイミ
ド樹脂で形成され、その厚さは０．６μｍ程度となって
いる。

【００１８】他方、前記台座配線層１４から配線１６に
至る領域には、第１層配線層１３と同様に、Ｓｉを１％
含むＡｌ膜からなる厚さは０．５〜１．０μｍ程度の第
２層配線層１９が設けられている。また、この第２層配
線層１９は、前記台座配線層１４上に乗る領域部分を除
いて無機系絶縁膜２０で被われている。この無機系絶縁
膜２０は、たとえば、有機系絶縁膜に熱的損傷が生じな
い低温（約４５０℃以下）で形成することができるプラ
ズマシリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜やプラズマシリ
コンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）膜が用いられる。 前記第２層配線層１９が設けられない第２層配線層領域
は、前記ワイヤ７を接続するためのワイヤボンディング
パッド２１を構成している。また、このワイヤボンディ
ングパッド２１の縁から一定の距離Ｌ内には、ワイヤボ
ンディング位置のバラツキを考慮して、前記有機系絶縁
膜１７が存在しないように配線パターンが設計されてい
る。これは、ワイヤボンディング時にワイヤ７の接合部
分の一部が無機系絶縁膜上に乗る場合、無機系絶縁膜の
下層に有機系絶縁膜が存在すると、ボンディング時の衝
撃によって有機系絶縁膜が押し潰されて変形するため、
無機系絶縁膜にクラック等の損傷が発生することを防止
するためである。

【００１９】つぎに、このような半導体素子６製造方法
について、図２〜図６を参照しながら説明する。図２に
その一部が示される半導体基体１０が用意される。この
半導体基体１０は、酸化，ホトエッチング，拡散等の通
常のＩＣ製造プロセスによって、トランジスタを始めと
する所望のデバイスが、図示はしないが形成されている
。そこで、この半導体基体１０の表面（主面）にシリコ
ン酸化膜１１を形成する。その後、前記シリコン酸化膜
１１上にホトレジストを塗布するとともに、マスクアラ
イナを用いて前記ホトレジストを所望のパターンに感光
し、かつ現像して所望のパターンのホトレジスト膜２５
を形成する。ついで、前記ホトレジスト膜２５をドライ
エッチ用マスクとして、たとえば、ＲＩＥ（リアクテイ
ブイオンエッチ）法で、前記シリコン酸化膜１１をエッ
チングし、たとえば簡略されているが、図２に示される
ようなシリコン酸化膜パターンを形成する。なお、図中
１２は、部分的にシリコン酸化膜１１が除去されて形成
されたコンタクト孔であって、所望導電型領域との電気
的接続をとるために設けられる。

【００２０】つぎに、前記半導体基体１０の主面に、ス
パッタによって厚さ０．５〜１．０μｍとなる１％のＳ
ｉを含むＡｌ膜を形成し、かつホトエッチングによって
図３に示すように第１層配線層１３を形成する。その後
、４３０℃，３０分の水素アニール処理が行われる。 この結果、図示しない所望導電型領域と第１層配線層１
３との接触部における電気的抵抗の低減が図られる。な
お、説明の便宜上、前記第１層配線層１３の各部は、台
座配線層１４，コンタクト用配線層１５，配線１６と呼
称することにする。

【００２１】つぎに、図４に示すように有機系絶縁膜１
７を形成する。この有機系絶縁膜１７はポリイミド樹脂
からなり、たとえば、１１００ｃｐ，１４．５ｗｔ％の
樹脂成分をピロリドンに溶解させたポリイミドワニスを
、約３０００ｒｐｍで半導体基体１０の主面に塗布し、
かつ２００℃，３０分、３５０℃，３０分間Ｎ２　中で
キュアすることによって形成される。また、この有機系
絶縁膜１７上にネガレジストがパターニングされ、かつ
このネガレジストをマスクとして有機系絶縁膜１７がエ
ッチングされる。このエッチングには、ヒドラジンヒド
ラートとエチレンジアミンの混合液が用いられる。この
結果、図４に示されるように、前記第１層配線層１３の
うちのコンタクト用配線層１５と配線１６が、有機系絶
縁膜１７によって被われるとともに、配線１６の上面中
央にはスルーホール２６が形成される。その後、ネガレ
ジストを除去する。ついで、３５０℃，３０分のＮ２　
アニールを行い、エッチング中の吸湿水分を完全に除去
する。

【００２２】引続き、スパッタ装置内でＡｒガスを用い
て、半導体基体１０の全面をスパッタエッチ（ＳｉＯ２
　膜が４００Å程度除去される量）する。その後、真空
中で引続きスパッタデポジションを行い、１．０重量％
のＳｉを含む厚さ１．０μｍのＡｌ膜を形成する。そし
て、このＡｌ膜を通常のホトエッチングによってパター
ニングし、図５に示されるような第２層配線層１９を形
成する。また、前記スルーホール２６に充填されたＡｌ
膜の抵抗低減のために、４３０℃，３０分のＮ２　アニ
ールを行って第２層配線層１９の形成を完了する。

【００２３】つぎに、図６に示されるような無機系絶縁
膜２０を形成する。この無機系絶縁膜２０は、プラズマ
ＣＶＤ法によって形成された１．０μｍ厚さのプラズマ
シリコン窒化膜（Ｐ−ＳｉＮ）からなっている。このプ
ラズマシリコン窒化膜は、約４５０℃以下で形成するこ
とができることから、前記有機系絶縁膜１７に熱的損傷
を生じさせることはない。その後、前記プラズマシリコ
ン窒化膜を常用のホトエッチング技術によって選択的に
除去し、図１に示されるようなパターンの無機系絶縁膜
２０を得る。前記台座配線層１４上に対応する第２層配
線層１９上には、無機系絶縁膜２０は設けられず、この
第２層配線層１９が露出する部分はワイヤボンディング
パッド２１となる。このワイヤボンディングパッド２１
の縁、すなわち無機系絶縁膜２０の縁から一定の距離Ｌ
内には、有機系絶縁膜１７が存在しないように設計され
る。これは前述したように、ワイヤボンディング時に、
金（Ａｕ）からなるワイヤ７の接合部分（Ａｕボール）
の一部が無機系絶縁膜上に乗る場合、無機系絶縁膜の下
層に有機系絶縁膜が存在すると、ボンディング時の衝撃
によって下地となる有機系絶縁膜が押し潰されて変形す
るため、無機系絶縁膜にクラック等の損傷が発生するこ
とを防止するためである。前記Ｌの大きさはボンディン
グ時の合わせ精度にも依存し、一律に決められないが、
おおよそ２０〜８０μｍ程度が好ましい。

【００２４】このような実施例によれば、つぎのような
効果が得られる。 （１）本発明の半導体装置にあっては、半導体素子の表
面に形成される多層配線構造において、有機系絶縁膜は
無機系絶縁膜に完全に被われているため、有機系絶縁膜
に対する外部からの水分や不純物の侵入が完全に阻止さ
れる。この結果、水分やイオンに起因する配線層の腐食
や導電領域の導電型の反転化等が防止できるという効果
が得られる。

【００２５】（２）本発明の半導体装置にあっては、半
導体素子のワイヤボンディングエリア内には無機系絶縁
膜が設けられても有機系絶縁膜が存在しないため、ボン
ディング時にワイヤの接合部分が重なるように接合され
ても、ワイヤの接合部分の下の無機系絶縁膜は、その下
方にワイヤボンディングの衝撃で押し潰れて変形する有
機系絶縁膜が存在しないことから、クラック等の損傷も
発生しないという効果が得られる。

【００２６】（３）上記（１）および（２）により、本
発明によれば、耐湿性の向上，ワイヤボンディングの信
頼性の向上によって品質の優れた半導体装置を提供する
ことができるという相乗効果が得られる。

【００２７】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない、たとえば、
図８は本発明の他の実施例による半導体素子の要部を示
す模式的断面図である。

【００２８】この実施例では、図１で示す前記実施例に
おいて、第１層配線層１３のコンタクト用配線層１５と
配線１６を被う有機系絶縁膜１７上に無機系絶縁膜２９
を設ける構造となっている。また、第２層配線層１９上
に第１層無機系絶縁膜３０，第２層無機系絶縁膜３１，
有機系絶縁膜３２を順次重ね、前記有機系絶縁膜３２が
最上層となるファイナルパッシベーション構造となって
いる。前記無機系絶縁膜２９および第１層無機系絶縁膜
３０は、約０．６μｍ厚のプラズマシリコン酸化膜とな
り、第２層無機系絶縁膜３１はプラズマシリコン窒化膜
となっている。これら各膜の形成は次の手順によって形
成される。すなわち、半導体基体１０上に第１層配線層
１３を形成した後、この第１層配線層１３上に約０．６
μｍ厚さのポリイミド樹脂膜（有機系絶縁膜１７）を形
成し、引き続き約０．６μｍ厚さのプラズマシリコン酸
化膜（無機系絶縁膜２９）を形成する。この２層膜上に
所定のホトレジストパターンを形成し、まずＣＨＦ３　
等のガスによりＲＩＥ法でプラズマシリコン酸化膜をエ
ッチングし、引続いて、Ｏ２　等のガスにより下層のＰ
ＩＱをエッチングする。その後、スパッタにより第２層
配線層１９をデポジションし、かつパターニングする。 引き続いて、プラズマシリコン酸化膜（第１層無機系絶
縁膜３０）とプラズマシリコン窒化膜（第２層無機系絶
縁膜３１）をデポジットする。さらにポリイミド樹脂（
有機系絶縁膜３２）を重ねて形成する。ついで、ワイヤ
ボンディングパッド形成のためホトレジストパターンを
形成し、このホトレジスト膜をマスクとしてドライエッ
チを行い、ポリイミド樹脂（有機系絶縁膜３２），プラ
ズマシリコン窒化膜（第２層無機系絶縁膜３１），プラ
ズマシリコン酸化膜（第１層無機系絶縁膜３０）を順次
選択的に除去し、第１層無機系絶縁膜３０，第２層無機
系絶縁膜３１，有機系絶縁膜３２を形成する。なお、前
記プラズマシリコン酸化膜，プラズマシリコン窒化膜は
、約４５０℃以下で形成することができることから、有
機系絶縁膜に熱的損傷を生じさせることはない。

【００２９】この実施例では、層間絶縁膜は塗布によっ
て形成されるポリイミド樹脂からなる有機系絶縁膜１７
と、プラズマシリコン酸化膜からなる無機系絶縁膜２９
との２層構造となっていて、有機系絶縁膜１７で平坦化
を受け持ち、無機系絶縁膜２９で水分やイオンの侵入を
防止するようになっている。したがって、極めて平坦な
層間絶縁膜面が得られるため、第２層配線層のステップ
カバレジが良好となるとともに、上層の無機系絶縁膜の
形成を容易にすることができる特長がある。また、この
構造では、ファイナルパッシベーション膜として、プラ
ズマシリコン酸化膜およびプラズマシリコン窒化膜の重
ね構造を採用しているため、水分やイオンの侵入抑止効
果は一層良好となる。さらに、この構造では、最上層を
ポリイミド樹脂からなる有機系絶縁膜３２で形成してい
ることから、モールドレジンからのストレスを緩和し、
下層の無機系絶縁膜のクラックを完全に防止することが
できる。

【００３０】なお、前記実施例では、第１層配線層，第
２層配線層は、Ａｌ−１％Ｓｉで形成した例を示したが
、これに限定されるものではなく、たとえばＡｌ−Ｃｕ
−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ−ＳｉとＴｉＷ等の積層配線構造と
してもよい。また、本発明はさらに多くの配線層や層間
絶縁膜を有する構造に対しても前記実施例同様に適用で
き同様な効果が得られる。さらに、有機系絶縁膜として
は、全芳香族ポリイミド樹脂の他、シロキサン系樹脂ま
たシロキサン変成ポリイミド樹脂といった高耐熱性ポリ
イミド樹脂などを用いてもよいことは勿論である。

【００３１】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるＬＳＩ
の製造技術に適用した場合について説明したが、それに
限定されるものではない。

【００３２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明によれば、有機系絶縁膜のも
っている水分や不純物の侵入阻止能力欠除を、上層の無
機系絶縁膜で完全に阻止することができる。また、ボン
ディング部周辺に有機系絶縁膜を存在しないようにする
ことで、ボンディング時の無機系絶縁膜のクラック発生
等のダメージを防止することができる。したがって、レ
ジンのように外部からの水分や不純物の侵入があるパッ
ケージ構造においても、前記無機系絶縁膜が水分やイオ
ンの侵入を阻止することから信頼性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体装置における半
導体素子の一部を示す模式的断面図である。

【図２】本発明による半導体素子の製造における酸化膜
が選択的に形成された半導体基体の一部の模式的断面図
である。

【図３】本発明による半導体素子の製造における第１層
配線層が選択的に形成された半導体基体の一部の模式的
断面図である。

【図４】本発明による半導体素子の製造における有機系
絶縁膜が選択的に形成された半導体基体の一部の模式的
断面図である。

【図５】本発明による半導体素子の製造における第２層
配線層が選択的に形成された半導体基体の一部の模式的
断面図である。

【図６】本発明による半導体素子の製造における無機系
絶縁膜が選択的に形成された半導体基体の一部の模式的
断面図である。

【図７】本発明による半導体装置の要部を示す断面図で
ある。

【図８】本発明の他の実施例による半導体装置における
半導体素子の一部を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１…半導体装置、２…パッケージ，３…リード、５…支
持体、６…半導体素子、７…ワイヤ、１０…半導体基体
、１１…シリコン酸化膜、１２…コンタクト孔、１３…
第１層配線層、１４…台座配線層、１５…コンタクト用
配線層、１６…配線、１７，３２…有機系絶縁膜、１９
…第２層配線層、２０，２９…無機系絶縁膜、２１…ワ
イヤボンディングパッド、２５…ホトレジスト膜、２６
…スルーホール、３０…第１層無機系絶縁膜、３１…第
２層無機系絶縁膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基体の表面に設けられた配線層
   を被う有機系絶縁膜と、少なくともこの有機系絶縁膜の
   表面および側面を被う無機系絶縁膜とを有する半導体装
   置であって、前記有機系絶縁膜が最上層の配線層を被う
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】　　前記有機系絶縁膜がボンディングパッ
   ドエリア内には存在しないことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第３項いずれか記載の半導体装置。